CN113278641B - 生产l-缬氨酸的重组大肠杆菌、其构建方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生产L‑缬氨酸的重组微生物的构建方法，通过引入氨基酸脱氢酶基因，和/或激活转氢酶、和/或NAD激酶的活性，以增加细胞NADPH还原力，提高大肠杆菌生产L‑缬氨酸的产量和转化率，并实现一步法厌氧发酵L‑缬氨酸。

Description

生产L-缬氨酸的重组大肠杆菌、其构建方法及其应用
技术领域
本发明涉及生产L-缬氨酸的重组微生物的构建方法，所述构建方法获得的重组微生物， 具体是重组大肠杆菌，以及通过发酵法生产L-缬氨酸的方法。
发明背景
L-缬氨酸作为三大支链氨基酸(Branched-chain amino acid，BCAA)的一种，属于必 需氨基酸，在人和动物中不能合成，只能通过从外界补充获得。目前，L-缬氨酸被广泛用于 食品和医药领域，主要包括食品添加剂、营养增补液及风味剂等；广泛用于化妆品制备、以 及用作抗生素或者除草剂前体等；另外，随着对饲料质量和配比需求的提高，在未来L-缬 氨酸在饲料添加剂行业中的作用将越来越重要，需求量会越来越大，未来市场具有极大的潜 力。
微生物细胞可以直接合成L-缬氨酸，但胞内大量反馈抑制等调控网络极大地限制了野 生细胞的生产能力。要想获得能够高效生产L-缬氨酸的发酵菌株，必须有效解除微生物细 胞这些自我调节机制。目前，世界范围内L-缬氨酸主要通过发酵法生产获得。用于发酵的 生产菌株多通过诱变而来，出发菌株主要包括谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、黄色短杆菌等。 如陈宁等以黄色短杆菌为出发菌株，使用原生质体紫外诱变并结合DES化学诱变的策略， 筛选获得了一株L-缬氨酸高产菌TV2564，L-缬氨酸产量高达29.39g/L。但是，传统诱变获 得的菌株具有很强的随机性，并且遗传背景不清晰，副产物多，并且不容易进一步通过改造 获得更加高产的菌株。
近年来，随着合成生物学和代谢工程的迅速发展，通过遗传改造获得能够高效生产L- 缬氨酸、遗传背景清晰、且易于培养的重组工程菌株应运而生并取得了很好的效果。谢希贤 等整合枯草芽孢杆菌乙酰乳酸合酶的编码基因alsS，解除了L-缬氨酸对合成通路的反馈抑 制，同时整合大肠杆菌ppGpp3’-焦磷酸水解酶的突变基因spoTM，增强了丙酮酸供应，增 强了出发菌株VHY03的摇瓶发酵生产L-缬氨酸的水平。Sang Yup Lee课题组2007年从大 肠杆菌W3110出发，结合理性代谢工程、转录组分析和遗传改造、以及基因敲除等手段获 得了一株能够生产L-缬氨酸的工程菌。该菌株在好氧条件下批式培养(batchculture)以生 产缬氨酸，但其培养过程中需要持续通氧，且培养过程中需要添加L-异亮氨酸保证细胞正 常生长。进一步的，课题组使用类似的策略从对L-缬氨酸具有更高耐受性的大肠杆菌W出 发重新构建了1株新的L-缬氨酸工程菌。该菌株同样需要在好氧条件下培养。
上述报道虽然提高了L-缬氨酸的发酵产量，但是L-缬氨酸的生产过程均需好氧或者微 好氧发酵完成，无法实现一步法厌氧发酵。好氧工艺在生产过程中需要用空气，能耗很大。 更关键的是，有相当一部分碳源进入三羧酸循环(TCA)从而被用于细胞生长，导致转化率 比理论最大值要低很多。因此好氧工艺成本高，且对设备有要求，操作步骤繁杂。
另外，L-缬氨酸工程菌改造过程中关键基因的过表达都是通过外源质粒转化宿主菌实现， 这就导致发酵过程中需要添加抗生素维持质粒存在，极大的增加了生产成本并存在在产业化 生产中质粒丢失的风险。
因此，本领域仍需要提供高产、节能、简便、稳定的生产L-缬氨酸的重组微生物以及 相应的L-缬氨酸的生产制备方法。
发明内容
为解决上述L-缬氨酸发酵过程中还原力不平衡，好氧发酵工艺成本高，改造菌株遗传 不稳定的问题，本发明通过引入氨基酸脱氢酶基因，和/或激活转氢酶、和/或NAD激酶的 活性，以增加细胞NADPH还原力，提高大肠杆菌生产L-缬氨酸的产量和转化率，并实现一步法厌氧发酵L-缬氨酸。
本发明的第一个方面，是提供一种L-缬氨酸的重组微生物的构建方法，经该方法获得 的重组微生物具有稳定遗传背景、且具备平衡的L-缬氨酸还原力，适宜一步法厌氧发酵。
在本申请中，酶的活性“增强”是指提高微生物中有相应的DNA编码的一种或多种酶的 胞内活性，增强活性可以通过本领域已知的任何合适方法实现，例如通过过表达，包括但不 限于提高所述基因或等位基因的拷贝数，修饰指导或控制基因表达的核苷酸序列，使用强启 动子，或蛋白质活性或浓度比起始微生物水平提高10％-500％。
在一个实施方式中，向微生物中导入氨基酸脱氢酶基因，使得所述酶活性增强。
在一个实施方式中，激活微生物中的转氢酶的活性，使得所述酶活性增强。
在一个实施方式中，激活微生物中的NAD激酶的活性，使得所述酶活性增强。
在某些优选的实施方式中，向微生物中导入氨基酸脱氢酶基因的同时，激活微生物中的 转氢酶；在某些优选的实施方式中，向微生物中导入氨基酸脱氢酶基因的同时，激活微生物 中的NAD激酶；在某些更优选的实施方式中，向微生物中导入氨基酸脱氢酶基因的同时， 激活微生物中的转氢酶和NAD激酶。
在一个实施方式中，本发明导入的氨基酸脱氢酶基因对于被导入的微生物而言是外源的。 所述氨基酸脱氢酶基因可以是来自任何微生物例如乳球菌、芽孢杆菌等的相应基因。
在一个实施方式中，所述氨基酸脱氢酶基因是NADH依赖型的。
在厌氧发酵时，葡萄糖的代谢主要是通过糖酵解途径(EMP途径)，1mol葡萄糖代谢生产 2mol丙酮酸的同时，会生成2molATP和2molNADH。因此，这就导致了厌氧条件下代谢工程改造的大肠杆菌中出现氧化还原力供给不平衡的问题，即NADH过剩，而NADPH供给 不足。因此为实现在厌氧条件下高效生产L-缬氨酸，须解决辅因子不平衡问题。本发明选 择NADH依赖型的氨基酸脱氢酶基因能够使得厌氧条件下过剩的NADH得到消耗，解决厌 氧发酵时还原力平衡的问题。
在一个实施方式中，所述氨基酸脱氢酶基因是亮氨酸脱氢酶基因，优选地，所述的亮氨 酸脱氢酶基因是leuDH。
在一个实施方式中，所述转氢酶是PntAB；所述NAD激酶是YfjB。
在一个实施方式中，还可以向微生物中导入乙酰羟基酸还原异构酶编码基因，使得所述 酶活性增强；优选地，所述乙酰羟基酸还原异构酶编码基因选自ilvC。
所述的“导入”可以以本领域已知的任何合适方式，例如以质粒形式，或者整合入基因组 中的形式存在与所述微生物中。在一个实施方式中，所述整合入基因组中的酶编码基因置于 合适的调控元件的控制下。
所述的“激活”，可以通过本领域已知的任何方式，将待激活的酶的编码基因置于合适的 调控元件的控制下，以使得所述酶基因的表达增强。
所述调控元件选自M1-93人工调控元件、M1-37人工调控元件或M1-46人工调控元件；
在一个实施方式中，M1-93人工调控元件调控leuDH编码基因和PntAB编码基因pntAB；
在一个实施方式中，M1-37人工调控元件调控YfjB编码基因yfjB。
在一个实施方式中，M1-46人工调控元件调控编码基因ilvC。
在一个实施方式中，本发明还包括对上述重组微生物的以下酶基因中的一种或几种进行 如下改造，以使得这些酶的活性降低或失活。
(1)敲除甲基乙二醛合酶(mgsA)基因；
(2)敲除乳酸脱氢酶(ldhA)基因；
(3)敲除磷酸乙酰转移酶(pta)和/或乙酸激酶(ackA)基因；
(4)敲除丙酸激酶(tdcD)和/或甲酸乙酰转移酶(tdcE)基因；
(5)敲除醇脱氢酶(adhE)基因；
(6)敲除富马酸还原酶(frd)和/或丙酮酸甲酸裂解酶(pflB)基因。
本领域技术人员能够理解，可以用现有技术已知的方式进行基因敲除，使得所述酶的活 性被降低或失活。所述的敲除操作针对的是出发微生物内源性的酶基因，使得微生物的上述 内源性酶活性降低或失活。
还可以通过同源重组等基因工程的方式，以另一基因的编码序列取代上述(1)-(6) 中所述酶基因的编码序列，从而使得微生物的上述内源性酶活性降低或失活。替代这些内源 性酶的基因可以是待增强表达的基因，如上述的ilvC基因或leuDH基因。
在一个实施方式中，还包括：
(7)增强本发明的重组微生物中的乙酰乳酸合成酶(AHAS)和/或二羟酸脱水酶(ilvD) 的活性。
在一个优选地实施方式中，AHAS选自ilvBN、ilvGM或ilvIH，它们中至少一种酶的活 性被增强。
在一个优选地实施方式中，可以通过将ilvBN、ilvGM基因置于合适的调控元件的控制 下，以使得所述基因的表达增强。所述调控原件优选M1-93人工调控元件。
通过在一个优选地实施方式中，ilvIH的活性通过解除缬氨酸对ilvIH的反馈抑制得到增 强，例如通过突变ilvH基因解除缬氨酸对ilvIH的反馈抑制。
就涉及L-缬氨酸生物合成的乙酰羟酸合成酶而言，除了同功酶Ⅱ(这里也称为AHASⅡ)， 还知道有同功酶Ⅲ(这里也称为AHASⅢ)。AHASⅢ由ilvIH操纵子编码，该操纵子由编码大 亚基(催化亚基)的ilvI和编码小亚基(控制亚基)的ilvH组成。AHASⅢ受L-缬氨酸的反馈抑 制。可采用已报道的方法突变ilvI基因，例如ilvH 14 Gly→Asp的氨基酸取代(Vyazmensky,M. 等，《生物化学》35:10339-10346(1996))和/或ilvH 17Ser→Phe(US6737255B2)；以及ilvH612 (De Felice等，《细菌学杂志》120:1058-1067(1974))等。
在一个实施方式中，本发明的重组微生物中的二羟酸脱水酶(ilvD)的活性被增强，例 如通过向微生物中导入ilvD基因增强ilvD的活性。
第(7)项操作，任选地结合上述(1)-(6)任一项或几项改造进行。
在一个实施方式中，结合第(2)项改造进行操作。
在一个实施方式中，结合第(6)项改造进行操作。
在一个实施方式中，结合第(2)项和第(5)项改造进行操作。
在一个实施方式中，结合第(2)项和第(6)项改造进行操作。
在一个实施方式中，结合第(1)项、第(3)-(6)项改造进行操作。
在一个实施方式中，结合第(1)-(6)项改造进行操作。
在一个实施方法中，任选地，以ilvC基因替换微生物内源性的mgsA基因来实现 第(1)项敲除。
在一个实施方式中，以ilvD基因替换微生物内源性的pflB基因，和/或以leuDH基因替 换微生物内源性的frd基因来实现第(6)项敲除。
所述替换可以本领域技术人员已知的方式，将待插入的基因的编码序列整合到所述微生 物染色体中被替换的基因编码序列位点，使得原位点基因编码序列被整合插入的基因的编码 序列所取代。
优选地，ilvC、ilvD和leuDH的替换同时发生。
在一个实施方式中，所述的微生物为大肠杆菌。
在一个实施方式中，所述的微生物为大肠杆菌ATCC8739。
在一个实施方式中，使用至少一个调控元件调控上述涉及的酶的基因。
在一个实施方式中，所述调控元件选自M1-93人工调控元件、M1-37人工调控元件或 M1-46人工调控元件。
在一个实施方式中，M1-93人工调控元件调控ilvD、leuDH、ilvBN、pntAB和ilvGM基因。
在一个实施方式中，M1-37人工调控元件调控yfjB基因。
在一个实施方式中，M1-46人工调控元件调控ilvC。
调控元件可通过已知的基因工程方法插入所述基因的上游。所述方法包括但不限于以基 因重组的方式，例如以同源重组的方式调控元件的序列插入目标酶的基因编码序列上游，以 增强目标基因表达的强度。
在一个实施方式中，其中所述酶编码基因和所述的调控元件整合入所述微生物的基因组 中。
在一个实施方式中，将包含所述述酶编码基因和所述的调控元件序列的质粒导入所述微 生物中。
在一个实施例中，以整合入所述微生物的基因组的方法完成目标酶基因的导入、突变或 敲除。
在一个实施例中，以同源重组的方法完成所述酶基因的导入、突变或敲除。
在一个实施例中，以两步同源重组的方法完成所述酶基因的导入、突变或敲除。
可采用本领域已知的同源重组系统，如大肠杆菌RecA重组系统，Red重组系统进行同 源重组以实现目标基因的导入、突变或敲除。
以两步同源重组的方法导入、突变或敲除目标基因包括如下步骤(以大肠杆菌为例)：
(1)DNA片段I的制备：以pXZ-CS质粒(Tan,et al.,Appl Environ Microbiol,2013, 79:4838-4844)DNA为模板，使用扩增引物1扩增出DNA片段I，用于第一步同源重组；
(2)第一步同源重组：将pKD46质粒(Datsenko and Wanner2000,Proc Natl AcadSci USA 97:6640-6645)转化至大肠杆菌，然后将DNA片段I转至pKD46的大肠杆菌，使用检测引物 1验证转化的菌并挑选菌落；
(3)DNA片段II的制备：以出发大肠杆菌为模板，用扩增引物2扩增出DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。
(4)第二步同源重组：将DNA片段II转化至第二步挑选获得的菌落；使用检测引物2验证转化的菌并挑选菌落。
本发明的第二个方面，是提供了一种利用上述构建方法得到的用于生产L-缬氨酸的重 组微生物，具体是一种重组大肠杆菌，其包含乙酰羟酸异构还原酶和/或氨基酸脱氢酶基因， 在一个实施方式中，采用大肠杆菌ATCC8739作为出发菌株，通过基因同源重组实现胞内 辅因子NADH供给和细胞生长的偶联，从而实现厌氧条件下细胞生长和L-缬氨酸生产的偶 联(图1)。
在一个实施方式中，利用上述构建方法得到的重组大肠杆菌，进一步经过代谢进化，经 过例如50代、70代、80代、90代、100代、120代获得了高产L-缬氨酸的重组大肠杆菌。在一个实施方式中，经70代代谢进化获得了一株产L-缬氨酸的重组大肠杆菌，其保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏号为：CGMCC 19456。
本发明的第三方面，是上述方法获得的重组微生物在生产L-缬氨酸中的应用。
本发明的第四方面，是利用上述构建获得的重组微生物发酵生产L-缬氨酸的方法，包 括：(1)发酵培养构建获得的重组微生物；(2)分离并收获L-缬氨酸。
在一个实施方式中，所述发酵培养为厌氧发酵培养。
在一个实施方式中，所述厌氧发酵包括如下步骤：
(1)种子培养：挑取平板上的克隆接种到种子培养基中，37℃，振荡培养，获得种子培养液；
(2)发酵培养：将种子培养液接种于发酵培养基，37℃，150rpm，发酵4天，得到发酵液。控制发酵罐的pH在7.0。培养过程不通任何气体。
其中种子培养基由以下成分组成(溶剂为水)：
葡萄糖20g/L，玉米浆干粉10g/L，KH2PO48.8g/L、(NH4)2SO42.5g/L、MgSO4·7H2O2g/L。
发酵培养基和种子培养基成分相同，区别仅在于葡萄糖浓度为50g/L。
本发明的有益效果：
(1)相对于之前的生产方法和菌株，本发明实现了一步法厌氧发酵生产L-缬氨酸，降 低了生产成本、提高了转化率。
(2)本发明优选对重组微生物的基因组而非以质粒形式构建稳定遗传的L-缬氨酸生产 菌株，不需要额外添加抗生素和诱导剂等物质，生产工艺稳定易操作。
(3)通过代谢进化方式，提高了重组微生物的L-缬氨酸的产量和转化率以及细胞耐受 性。
生物材料保藏
本发明构建的重组大肠杆菌Sval031，分类命名为：大肠埃希氏菌(Escherichiacoli)， 生物材料已于2020年3月6日提交保藏，保藏单位：中国微生物菌种保藏管理委员会普通 微生物中心，保藏地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，保藏编号为CGMCCNo.19456。
附图说明
图1：L-缬氨酸合成途径。
图2：高效液相色谱测定L-缬氨酸的标准品。
图3：高效液相色谱测定Sval030菌株发酵液组分。
图4：代谢进化发酵培养获得Sval031菌株。
图5：高效液相色谱测定L-缬氨酸的标准品。
图6：高效液相色谱测定Sval031菌株发酵液组分。
具体实施方式
本发明通过下述实施例进一步阐明，但任何实施例或其组合不应当理解为对本发明的范 围或实施方式的限制。本发明的范围由所附权利要求书限定，结合本说明书和本领域一般常 识，本领域普通技术人员可以清楚地明白权利要求书所限定的范围。在不偏离本发明的精神 和范围的前提下，本领域技术人员可以对本发明的技术方案进行任何修改或改变，这种修改 和改变也包含在本发明的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材 料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本研究中所构建的菌株和质粒详见表1，所用引物详见表2。
表1本发明所用的菌株和质粒
Figure BDA0002510666230000071
Figure BDA0002510666230000081
Figure BDA0002510666230000091
表2本发明所用的引物
Figure BDA0002510666230000092
Figure BDA0002510666230000101
Figure BDA0002510666230000111
Figure BDA0002510666230000121
实施例1：ATCC8739菌株中甲基乙二醛合酶编码基因mgsA的敲除
从大肠杆菌ATCC8739出发，采用两步同源重组的方法敲除甲基乙二醛合酶编码基因mgsA，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物mgsA-cs-up/mgsA-cs-down扩增出2719bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。
扩增体系为：Phusion5X缓冲液(NewEnglandBiolabs)10μl、dNTP(每种dNTP各10mM)1μl、DNA模板20ng、引物(10μM)各2μl、PhusionHigh-FidelityDNA聚合酶(2.5U/μl) 0.5μl、蒸馏水33.5μl，总体积为50μl。
扩增条件为98℃预变性2分钟(1个循环)；98℃变性10秒、56℃退火10秒、72℃延伸2分钟(30个循环)；72℃延伸10分钟(1个循环)。
将上述DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒(购买于美国耶鲁大学CGSC大肠杆菌保藏中心，CGSC#7739)通过电转化法转化至大肠杆菌ATCC8739，然后将 DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌ATCC8739。
电转条件为：首先准备带有pKD46质粒的大肠杆菌ATCC8739的电转化感受态细胞；将50μl感受态细胞置于冰上，加入50ngDNA片段I，冰上放置2分钟，转移至0.2cm的 Bio-Rad电击杯。使用MicroPulser(Bio-Rad公司)电穿孔仪，电击参数为电压2.5kv。电击后 迅速将1mlLB培养基转移至电击杯中，吹打5次后转移至试管中，75rpm，30℃孵育2小 时。取200μl菌液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB 平板上，30℃过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，所用引物XZ-mgsA-up/XZ-mgsA-down， 正确的菌落扩增产物为3646bp的片段，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval001。
第二步，野生型大肠杆菌ATCC8739的基因组DNA为模板，用引物 XZ-mgsA-up/mgsA-del-down扩增出566bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源 重组。扩增条件和体系同第一步中所述。将DNA片段II电转至菌株Sval001。
电转条件为：首先准备带有pKD46质粒的Sval001的电转化感受态细胞(Dower etal., 1988,Nucleic Acids Res16:6127-6145)；将50μl感受态细胞置于冰上，加入50ngDNA片段 II，冰上放置2分钟，转移至0.2cm的Bio-Rad电击杯。使用MicroPulser(Bio-Rad公司)电 穿孔仪，电击参数为电压2.5kv。电击后迅速将1ml LB培养基转移至电击杯中，吹打5次 后转移至试管中，75转，30℃孵育4小时。将菌液转移至含有10％蔗糖的没有氯化钠的LB液体培养基(250ml烧瓶中装50ml培养基)，培养24小时后在含有6％蔗糖的没有氯化钠的LB固体培养基上划线培养。经过PCR验证，所用引物为XZ-mgsA-up/XZ-mgsA-down，正 确的菌落扩增产物为1027bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval002(表1)。
实施例2：乳酸脱氢酶编码基因ldhA的敲除
从Sval002出发，通过两步同源重组的方法敲除乳酸脱氢酶编码基因ldhA，具体步骤如 下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物ldhA-cs-up/ldhA-cs-down扩增出2719 bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。将DNA片段I电转至Sval002。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval002，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval002。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-ldhA-up/XZ-ldhA-down进行验证，正确的PCR产物应该3448bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval003。
第二步，以野生型大肠杆菌ATCC8739的DNA为模板，用引物 XZ-ldhA-up/ldhA-del-down扩增出476bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重 组。将DNA片段II电转至菌株Sval003。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-ldhA-up/XZ-ldhA-down，正确的菌落扩增产物为829bp 的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval004(表1)。
实施例3：磷酸乙酰转移酶编码基因pta和乙酸激酶编码基因ackA的敲除
从Sval004出发，通过两步同源重组的方法敲除磷酸乙酰转移酶编码基因pta和乙酸激 酶编码基因ackA，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物ackA-cs-up/pta-cs-down扩增出2719bp 的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。将DNA 片段I电转至Sval004。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval004，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval004。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-ackA-up/XZ-pta-down进行验证，正确的PCR产物应该3351bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval005。
第二步，以野生型大肠杆菌ATCC8739的DNA为模板，用引物 XZ-ackA-up/ackA-del-down扩增出371bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重 组。将DNA片段II电转至菌株Sval005。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-ackA-up/XZ-pta-down，正确的菌落扩增产物为732bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval006(表1)。
实施例4：丙酸激酶编码基因tdcD和甲酸乙酰转移酶编码基因tdcE的敲除
从Sval006出发，通过两步同源重组的方法敲除丙酸激酶编码基因tdcD和甲酸乙酰转 移酶编码基因tdcE，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物tdcDE-cs-up/tdcDE-cs-down扩增出2719 bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。将DNA片段I电转至Sval006。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval006，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval006。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-tdcDE-up/XZ-tdcDE-down进行验证， 正确的PCR产物应该4380bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval007。
第二步，以野生型大肠杆菌ATCC8739的DNA为模板，用引物 XZ-tdcDE-up/tdcDE-del-down扩增出895bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源 重组。将DNA片段II电转至菌株Sval007。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-tdcDE-up/XZ-tdcDE-down，正确的菌落扩增产物为1761bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval008(表1)。
实施例5：醇脱氢酶基因adhE的敲除
从Sval008出发，通过两步同源重组的方法敲除醇脱氢酶基因adhE，具体步骤包括：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物adhE-cs-up/adhE-cs-down扩增出2719 bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval008，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval008。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-adhE-up/XZ-adhE-down进行验证，正确的PCR产物应该3167bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval009。
第二步，以野生型大肠杆菌ATCC8739的DNA为模板，用引物 XZ-adhE-up/adhE-del-down扩增出271bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重 组。将DNA片段II电转至菌株Sval009。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-adhE-up/XZ-adhE-down，正确的菌落扩增产物为548bp 的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval010(表1)。
实施例6：乙酰羟基酸还原异构酶编码基因ilvC在甲基乙二醛合酶编码基因mgsA位点的整 合
从Sval010出发，通过两步同源重组的方法将来自大肠杆菌的乙酰羟基酸还原异构酶编 码基因ilvC整合到甲基乙二醛合酶编码基因mgsA位点，具体步骤包括：
第一步，在Sval010菌株中mgsA位点整合cat-sacB片段，cat-sacB片段的PCR、整合、 验证同实施例1中mgsA基因敲除的第一步完全一致，获得的克隆命名为Sval011。
第二步，以野生型大肠杆菌ATCC8739的DNA为模板，用引物 mgsA-ilvC-up/mgsA-ilvC-down扩增出1576bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同 源重组。将DNA片段II电转至菌株Sval011。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-mgsA-up/XZ-mgsA-down，正确的菌落扩增产物为2503bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval012(表1)。
实施例7：乙酰羟基酸还原异构酶编码基因ilvC的调控
从Sval012出发，使用人工调控元件调控整合在甲基乙二醛合酶编码基因mgsA位点的 乙酰羟基酸还原异构酶编码基因ilvC的表达，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物mgsA-Pcs-up/mgsA-Pcs-down扩增出2719bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一 致。将DNA片段I电转至Sval012。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒(购买于美国耶鲁大学CGSC大肠杆菌保藏中心，CGSC#7739)通过电转化法转化至大肠杆菌Sval012，然后将DNA片段 I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval012。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-mgsA-up/ilvC-YZ347-down进行验证， 正确的PCR产物应该3482bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval013。
第二步，以M1-46(Lu,et al.,ApplMicrobiolBiotechnol,2012,93:2455-2462)的基因组 DNA为模板，用引物mgsA-P46-up/ilvC-P46-down扩增出188bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至菌株Sval013。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-mgsA-up/ilvC-YZ347-down，正确的菌落扩增产物为951bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval014(表1)。
实施例8：二羟酸脱水酶编码基因ilvD的整合
从Sval014出发，通过两步同源重组的方法将来自大肠杆菌的二羟酸脱水酶编码基因 ilvD整合到丙酮酸甲酸裂解酶编码基因pflB位点并替换掉pflB基因，即在整合ilvD的同时 敲除pflB基因，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物pflB-CS-up/pflB-CS-down扩增出2719 bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。将DNA片段I电转至Sval014。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval014，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval014。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-pflB-up600/XZ-pflB-down进行验证， 正确的PCR产物应该3675bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval015。
第二步，以大肠杆菌MG1655(来自ATCC，编号700926)的基因组DNA为模板，用 引物pflB-ilvD-up/pflB-ilvD-down扩增出1951bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次 同源重组。将DNA片段II电转至菌株Sval015。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-pflB-up600/XZ-pflB-down，正确的菌落扩增产物为2907bp 的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval016(表1)。
实施例9：二羟酸脱水酶编码基因ilvD的表达调控
从Sval016出发，使用人工调控元件调控整合在丙酮酸甲酸裂解酶编码基因pflB位点的 二羟酸脱水酶编码基因ilvD的表达，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物pflB-Pcs-up/pflB-Pcs-down扩增出2719 bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。将DNA片段I电转至Sval016。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval016，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval016。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-pflB-up600/ilvD-YZ496-down进行验 证，正确的PCR产物应该3756bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval017。
第二步，以M1-93(Lu,et al.,Appl Microbiol Biotechnol,2012,93:2455-2462)的基因组 DNA为模板，用引物pflB-Pro-up/ilvD-Pro-down扩增出189bp的DNA片段II。DNA片段 II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至菌株Sval017。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-pflB-up600/ilvD-YZ496-down，正确的菌落扩增产物为1226 bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval018(表1)。
实施例10：乙酰乳酸合成酶基因ilvBN的调控
使用人工调控元件M1-93通过两步同源重组的方法调控乙酰乳酸合成酶基因ilvBN的表 达，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物ilvB pro-catup/ilvB pro-catdown扩增 出2719bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌Sval018，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval018。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物ilvB pro-YZup/ilvB pro-YZdown进行验 证，正确的PCR产物应该2996bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval019。
第二步，以M1-93的基因组DNA为模板，用引物ilvB pro-up/ilvB pro-down扩增出188 bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至菌株Sval019。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为ilvB pro-YZup/ilvB pro-YZdown，正确的菌落扩增产物为465 bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval020。
实施例11：乙酰乳酸合成酶基因ilvGM的调控
使用人工调控元件M1-93通过两步同源重组的方法调控乙酰乳酸合成酶基因ilvGM的 表达，具体步骤如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物ilvG pro-catup/ilvG pro-catdown扩增 出2719bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval020，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval020。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物ilvG pro-YZup/ilvG p-YZdown进行验证，正确的PCR产物应该2993bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval021。
第二步，以M1-93的基因组DNA质粒DNA为模板，用引物ilvG pro-up/ilvG pro-down 扩增出188bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至 菌株Sval021。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为ilvG pro-YZup/ilvG p-YZdown，正确的菌落扩增产物为462bp 的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval022。
实施例12：乙酰乳酸合成酶基因ilvH的突变
通过两步同源重组的方法在ilvH基因中引入突变解除L-缬氨酸的反馈抑制，具体步骤 如下：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物ilvH*-cat-up/ilvH*-cat-down扩增出 2719bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval022，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval022。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物ilvH*-mutYZ-up/ilvH*-mut-down进行验 证，正确的PCR产物应该3165bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval023。
第二步，以野生型大肠杆菌ATCC8739的DNA为模板，用引物ilvH*-mut-up/ ilvH*-mut-down扩增出467bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。将DNA 片段II电转至菌株Sval023。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为ilvH*-mutYZ-up/ilvH*-mut-down，正确的菌落扩增产物为619 bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval024。
实施例13：使用重组菌株Sval024发酵生产L-缬氨酸
种子培养基由以下成分组成(溶剂为水)：
葡萄糖20g/L，玉米浆干粉10g/L，KH2PO48.8g/L、(NH4)2SO42.5g/L、MgSO4·7H2O2g/L。
发酵培养基大部分和种子培养基相同，区别仅在于葡萄糖浓度为50g/L
Sval024的厌氧发酵包括以下步骤：
(1)种子培养：将LB平板上新鲜的克隆接种到含有4ml种子培养基的试管中，37℃，250rpm振荡培养过夜。然后，按照2％(V/V)的接种量将培养物转接到含有30ml种子培养 基的250ml三角瓶中，在37℃，250rpm振荡培养12小时得到种子培养液用于发酵培养基 接种。
(2)发酵培养：500ml厌氧罐中发酵培养基体积为250ml，将种子培养液按照终浓度OD550＝0.1的接种量接种于发酵培养基，37℃，150rpm，发酵6天，得到发酵液。中和剂 为5M氨水，使发酵罐的pH控制在7.0。培养过程中不通任何气体。
分析方法：使用安捷伦(Agilent-1260)高效液相色谱仪对发酵6天的发酵液中的组分进行 测定。发酵液中的葡萄糖和有机酸浓度测定采用伯乐(Biorad)公司的AminexHPX–87H有机 酸分析柱。氨基酸测定使用Sielc氨基酸分析柱primesep100250×4.6mm。
结果发现：Sval024菌株在厌氧条件下发酵4天，能够生产1.3g/L的L-缬氨酸(出现与图2对应位置的L-缬氨酸峰)，糖酸转化率0.31mol/mol。
实施例14：亮氨酸脱氢酶编码基因leuDH的克隆与整合
leuDH基因是根据文献报道(Ohshima,T.et.al,Properties of crystallineleucine dehydrogenase from Bacillus sphaericus.The Journal of biologicalchemistry253,5719-5725 (1978))的来自Lysinibacillus sphaericus IFO3525菌株的leuDH序列并经过密码子优化(优 化序列如序列号79所示)后通过全基因合成获得，合成时在leuDH基因前加上M1-93人工 调控元件用于启动leuDH基因的表达，插入pUC57载体，构建获得质粒pUC57-M1-93-leuDH (南京金斯瑞生物科技有限公司完成基因合成和载体构建)。将M1-93人工调控元件和 leuDH基因一起通过来两步同源重组的方法整合到Sval024菌株中富马酸还原酶编码基因 frd位点并替换掉frd基因，即在整合leuDH的同时敲除frd基因。具体步骤包括：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物frd-cs-up/frd-cs-down扩增出2719bp 的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval024，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval024。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物XZ-frd-up/XZ-frd-down进行验证，正确 的PCR产物应该3493bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval025。
第二步，以pUC57-M1-93-leuDH质粒DNA为模板，用引物frd-M93-up/frd-leuDH-down 扩增出1283bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至 菌株Sval025。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为XZ-frd-up/XZ-frd-down，正确的菌落扩增产物为2057bp的片段，挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval026。
实施例15：使用重组菌株Sval026发酵生产L-缬氨酸
种子培养基和发酵培养基的组成和配制同实施例13中所述相同。
发酵在500mL的发酵罐中进行，发酵过程和分析过程同实施例13中所述Sval024的发 酵过程和分析过程一致。
结果发现：Sval026菌株在厌氧条件下发酵4天，能够生产1.8g/L的L-缬氨酸(出现与图2对应位置的L-缬氨酸峰)，糖酸转化率0.56mol/mol。
实施例16：使用人工调控元件库调控转氢酶编码基因pntAB的表达
从Sval026菌株出发，使用人工调控元件调控pntAB基因的表达从而激活转氢酶PntAB 的活性。具体步骤包括：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物pntAB-cs-up/pntAB-cs-down扩增出2719bp的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一 致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval026，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval026。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物pntAB-YZ-up/pntAB-YZ-down进行验证， 正确的PCR产物应该3459bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval027。
第二步，以M1-93的基因组DNA为模板，用引物pntAB-P-up/pntAB-M93-down扩增出188bp的DNA片段II。DNA片段II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至菌株 Sval027。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为pntAB-YZ-up/pntAB-YZ-down，正确的菌落扩增产物为928 bp的片段。挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval028(表1)。
实施例17：使用人工调控元件库调控NAD激酶编码基因yfjB的表达
从Sval028菌株出发，使用人工调控元件调控NAD激酶基因yfjB的表达从而激活NAD 激酶YfjB的活性，使转氢酶和NAD激酶一起实现辅因子供给平衡。具体步骤包括：
第一步，以pXZ-CS质粒DNA为模板，使用引物yfjb-cs-up/yfjb-cs-down扩增出2719bp 的DNA片段I，用于第一步同源重组。扩增体系和扩增条件与实施例1中所述一致。
将DNA片段I用于第一次同源重组：首先将pKD46质粒通过电转化法转化至大肠杆菌 Sval028，然后将DNA片段I电转至带有pKD46的大肠杆菌Sval028。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第一步方法一致。取200μl菌 液涂在含有氨苄霉素(终浓度为100μg/ml)和氯霉素(终浓度为34μg/ml)的LB平板上，30℃ 过夜培养后，挑选单菌落进行PCR验证，使用引物yfjb-YZ-up/yfjb-YZ-down进行验证，正 确的PCR产物应该3542bp，挑选一个正确的单菌落，命名为Sval029。
第二步，以M1-37(Lu,et al.,Appl Microbiol Biotechnol,2012,93:2455-2462)的基因组 DNA为模板，用引物yfjb-P-up/yfjb-M37-down扩增出188bp的DNA片段II。DNA片段 II用于第二次同源重组。将DNA片段II电转至菌株Sval029。
电转条件和步骤同实施例1中所述用于mgsA基因敲除的第二步方法一致。菌落PCR对克隆进行验证，所用引物为yfjb-YZ-up/yfjb-YZ-down，正确的菌落扩增产物为1011bp的片段。挑选一个正确的单菌落，将其命名为Sval030(表1)。
实施例18：使用重组菌株Sval030生产L-缬氨酸
种子培养基和发酵培养基的组成和配制同实施例13中所述相同。
发酵在500mL的发酵罐中进行，发酵过程和分析过程同实施例13中所述Sval024的发 酵过程和分析过程一致。
结果发现：Sval030菌株在厌氧条件下发酵4天，能够生产2.2g/L的L-缬氨酸(出现与图2对应位置的L-缬氨酸峰)，糖酸转化率0.83mol/mol。图2为L-缬氨酸标准品的谱图，图3为Sval030发酵液的谱图。
实施例19：重组菌株Sval031构建
从Sval030开始，通过代谢进化同步提高细胞生长和L-缬氨酸的生产能力。
代谢进化过程使用500ml的发酵罐，发酵培养基为250ml。使用5M氨水为中和剂，使发酵罐的pH控制在7.0。进化代谢所用的发酵培养基组成和配制同实施例16中发酵培养基所述。每24小时，将发酵液转接到新的发酵罐中，使初始OD550达0.1。经过70代进化， 获得菌株Sval031(图4)。Sval031菌株以保藏号CGMCC19456，保藏于中国普通微生物菌种 保藏管理中心(CGMCC)。
实施例20：重组菌株Sval031在500mL发酵罐中发酵生产L-缬氨酸
种子培养基的组成和配制同实施例13中所述相同。
发酵在500mL的发酵罐中进行，发酵培养基为250ml。发酵培养基基本上和种子培养 基相同，区别是葡萄糖浓度为100g/L，使用的中和剂为5M氨水，使发酵罐的pH控制在7.0。
结果发现：Sval031在500mL发酵罐发酵48小时后，L-缬氨酸产量达53g/L，产率达0.92mol/mol，无杂酸等杂质生成。
实施例21：重组菌株Sval031在5L发酵罐中发酵生产L-缬氨酸
种子培养基的组成和配制、分析方法同实施例13中所述相同。发酵培养基基本上和种 子培养基相同，区别是葡萄糖浓度为140g/L。
发酵在5L发酵罐(上海保兴，BIOTECH-5BG)中厌氧进行，包括以下步骤：
(1)种子培养：500ml三角瓶中种子培养基为150ml，115℃灭菌15min。冷却后将重组 大肠杆菌Sval031按照1％(V/V)的接种量接种于种子培养基，在37℃和100rpm的条件下培养12小时得到种子液，用于发酵培养基接种。
(2)发酵培养：5L中发酵培养基体积为3L，115℃灭菌25min。将种子液按照终浓度OD550＝0.2的接种量接种于发酵培养基，37℃厌氧培养48天，搅拌转速200rpm，得到发 酵液。发酵液为发酵罐内所有物质。培养过程没有通任何气体。
结果发现：Sval031在5L发酵罐中发酵48小时后，L-缬氨酸产量达82g/L，产率达0.93 mol/mol，无杂酸等杂质生成。图5为L-缬氨酸标准品的谱图，图6为Sval031发酵液的谱 图。
序列表
<120> 生产L-缬氨酸的重组大肠杆菌、其构建方法及其应用
<160> 79
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 73
<212> DNA
<213> mgsA-cs-up(Escherichia coli)
<400> 1
gtaggaaagt taactacgga tgtacattat ggaactgacg actcgcactt tgtgacggaa 60
gatcacttcg cag 73
<210> 2
<211> 75
<212> DNA
<213> mgsA-cs-down(Escherichia coli)
<400> 2
gcgtttgcca cctgtgcaat attacttcag acggtccgcg agataacgct ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 3
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-mgsA-up(Escherichia coli)
<400> 3
cagctcatca accaggtcaa 20
<210> 4
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-mgsA-down(Escherichia coli)
<400> 4
aaaagccgtc acgttattgg 20
<210> 5
<211> 70
<212> DNA
<213> mgsA-del-down(Escherichia coli)
<400> 5
gcgtttgcca cctgtgcaat attacttcag acggtccgcg agataacgct aagtgcgagt 60
cgtcagttcc 70
<210> 6
<211> 72
<212> DNA
<213> mgsA-ilvC-up(Escherichia coli)
<400> 6
gtaggaaagt taactacgga tgtacattat ggaactgacg actcgcactt atggctaact 60
acttcaatac ac 72
<210> 7
<211> 75
<212> DNA
<213> mgsA-ilvC-down(Escherichia coli)
<400> 7
gcgtttgcca cctgtgcaat attacttcag acggtccgcg agataacgct ttaacccgca 60
acagcaatac gtttc 75
<210> 8
<211> 73
<212> DNA
<213> mgsA-Pcs-up(Escherichia coli)
<400> 8
gtaggaaagt taactacgga tgtacattat ggaactgacg actcgcactt tgtgacggaa 60
gatcacttcg cag 73
<210> 9
<211> 75
<212> DNA
<213> mgsA-Pcs-down(Escherichia coli)
<400> 9
agctgtgcca gctgctggcg cagattcagt gtattgaagt agttagccat ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 10
<211> 70
<212> DNA
<213> mgsA-P46-up(Escherichia coli)
<400> 10
gtaggaaagt taactacgga tgtacattat ggaactgacg actcgcactt ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 11
<211> 72
<212> DNA
<213> ilvC-P46-down(Escherichia coli)
<400> 11
agctgtgcca gctgctggcg cagattcagt gtattgaagt agttagccat agctgtttcc 60
tggtttaaac cg 72
<210> 12
<211> 20
<212> DNA
<213> ilvC-YZ347-down(Escherichia coli)
<400> 12
cgcactacat cagagtgctg 20
<210> 13
<211> 73
<212> DNA
<213> ldhA-cs-up(Escherichia coli)
<400> 13
ttcaacatca ctggagaaag tcttatgaaa ctcgccgttt atagcacaaa tgtgacggaa 60
gatcacttcg cag 73
<210> 14
<211> 75
<212> DNA
<213> ldhA-cs-down(Escherichia coli)
<400> 14
agcggcaaga ttaaaccagt tcgttcgggc aggtttcgcc tttttccaga ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 15
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-ldhA-up(Escherichia coli)
<400> 15
gataacggag atcgggaatg 20
<210> 16
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ- ldhA-down(Escherichia coli)
<400> 16
ctttggctgt cagttcacca 20
<210> 17
<211> 71
<212> DNA
<213> ldhA-del-down(Escherichia coli)
<400> 17
agcggcaaga ttaaaccagt tcgttcgggc aggtttcgcc tttttccaga tttgtgctat 60
aaacggcgag t 71
<210> 18
<211> 73
<212> DNA
<213> ackA-cs-up(Escherichia coli)
<400> 18
aggtacttcc atgtcgagta agttagtact ggttctgaac tgcggtagtt tgtgacggaa 60
gatcacttcg cag 73
<210> 19
<211> 75
<212> DNA
<213> pta-cs-down(Escherichia coli)
<400> 19
ggtcggcaga acgctgtacc gctttgtagg tggtgttacc ggtgttcaga ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 20
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-ackA-up(Escherichia coli)
<400> 20
cgggacaacg ttcaaaacat 20
<210> 21
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-pta-down(Escherichia coli)
<400> 21
attgcccatc ttcttgttgg 20
<210> 22
<211> 71
<212> DNA
<213> ackA-del-down(Escherichia coli)
<400> 22
ggtcggcaga acgctgtacc gctttgtagg tggtgttacc ggtgttcaga aactaccgca 60
gttcagaacc a 71
<210> 23
<211> 73
<212> DNA
<213> tdcDE-cs-up(Escherichia coli)
<400> 23
ccgtgattgg tctgctgacc atcctgaaca tcgtatacaa actgttttaa tgtgacggaa 60
gatcacttcg cag 73
<210> 24
<211> 75
<212> DNA
<213> tdcDE-cs-down(Escherichia coli)
<400> 24
cgcctggggc acgttgcgtt tcgataatct ttttcataca tcctccggcg ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 25
<211> 21
<212> DNA
<213> XZ-tdcDE-up(Escherichia coli)
<400> 25
tgatgagcta cctggtatgg c 21
<210> 26
<211> 24
<212> DNA
<213> XZ-tdcDE-down(Escherichia coli)
<400> 26
cgccgacaga gtaataggtt ttac 24
<210> 27
<211> 77
<212> DNA
<213> tdcDE-del-down(Escherichia coli)
<400> 27
cgcctggggc acgttgcgtt tcgataatct ttttcataca tcctccggcg ttaaaacagt 60
ttgtatacga tgttcag 77
<210> 28
<211> 72
<212> DNA
<213> adhE-cs-up(Escherichia coli)
<400> 28
ataactctaa tgtttaaact cttttagtaa atcacagtga gtgtgagcgc tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 29
<211> 75
<212> DNA
<213> adhE-cs-down(Escherichia coli)
<400> 29
ccgtttatgt tgccagacag cgctactgat taagcggatt ttttcgcttt ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 30
<211> 74
<212> DNA
<213> adhE-del-down(Escherichia coli)
<400> 30
ccgtttatgt tgccagacag cgctactgat taagcggatt ttttcgcttt gcgctcacac 60
tcactgtgat ttac 74
<210> 31
<211> 21
<212> DNA
<213> XZ-adhE-up(Escherichia coli)
<400> 31
catgctaatg tagccaccaa a 21
<210> 32
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-adhE-down(Escherichia coli)
<400> 32
ttgcaccacc atccagataa 20
<210> 33
<211> 73
<212> DNA
<213> pflB-CS-up(Escherichia coli)
<400> 33
aaacgaccac cattaatggt tgtcgaagta cgcagtaaat aaaaaatcca tgtgacggaa 60
gatcacttcg cag 73
<210> 34
<211> 75
<212> DNA
<213> pflB-CS-down(Escherichia coli)
<400> 34
cggtccgaac ggcgcgccag cacgacgacc gtctggggtg ttacccgttt ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 35
<211> 70
<212> DNA
<213> pflB-ilvD-up(Escherichia coli)
<400> 35
aaacgaccac cattaatggt tgtcgaagta cgcagtaaat aaaaaatcca atgcctaagt 60
accgttccgc 70
<210> 36
<211> 74
<212> DNA
<213> pflB-ilvD-down(Escherichia coli)
<400> 36
cggtccgaac ggcgcgccag cacgacgacc gtctggggtg ttacccgttt ttaacccccc 60
agtttcgatt tatc 74
<210> 37
<211> 21
<212> DNA
<213> XZ-pflB-up600(Escherichia coli)
<400> 37
ctgcggagcc gatctcttta c 21
<210> 38
<211> 22
<212> DNA
<213> XZ-pflB-down(Escherichia coli)
<400> 38
cgagtaataa cgtcctgctg ct 22
<210> 39
<211> 72
<212> DNA
<213> pflB-Pcs-up(Escherichia coli)
<400> 39
aaacgaccac cattaatggt tgtcgaagta cgcagtaaat aaaaaatcca tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 40
<211> 75
<212> DNA
<213> pflB-Pcs-down(Escherichia coli)
<400> 40
cccgccatat tacgaccatg agtggtggtg gcggaacggt acttaggcat ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 41
<211> 70
<212> DNA
<213> pflB-Pro-up(Escherichia coli)
<400> 41
aaacgaccac cattaatggt tgtcgaagta cgcagtaaat aaaaaatcca ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 42
<211> 78
<212> DNA
<213> ilvD-Pro-down(Escherichia coli)
<400> 42
cccgccatat tacgaccatg agtggtggtg gcggaacggt acttaggcat tgctgacctc 60
ctggtttaaa cgtacatg 78
<210> 43
<211> 20
<212> DNA
<213> ilvD-YZ496-down(Escherichia coli)
<400> 43
caaccagatc gagcttgatg 20
<210> 44
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-frd-up(Escherichia coli)
<400> 44
tgcagaaaac catcgacaag 20
<210> 45
<211> 20
<212> DNA
<213> XZ-frd-down(Escherichia coli)
<400> 45
caccaatcag cgtgacaact 20
<210> 46
<211> 72
<212> DNA
<213> frd-cs-up(Escherichia coli)
<400> 46
gaaggcgaat ggctgagatg aaaaacctga aaattgaggt ggtgcgctat tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 47
<211> 75
<212> DNA
<213> frd-cs-down(Escherichia coli)
<400> 47
tctcaggctc cttaccagta cagggcaaca aacaggatta cgatggtggc ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 48
<211> 70
<212> DNA
<213> frd-M93-up(Escherichia coli)
<400> 48
gaaggcgaat ggctgagatg aaaaacctga aaattgaggt ggtgcgctat ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 49
<211> 77
<212> DNA
<213> frd-leuDH-down(Escherichia coli)
<400> 49
tctcaggctc cttaccagta cagggcaaca aacaggatta cgatggtggc ttaacggccg 60
ttcaaaatat ttttttc 77
<210> 50
<211> 72
<212> DNA
<213> ilvB pro-catup(Escherichia coli)
<400> 50
ctgacgaaac ctcgctccgg cggggttttt tgttatctgc aattcagtac tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 51
<211> 75
<212> DNA
<213> ilvB pro-catdown(Escherichia coli)
<400> 51
tctgcgccgg taaagcgctt acgcgtcgat gttgtgcccg aacttgccat ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 52
<211> 70
<212> DNA
<213> ilvB pro-up(Escherichia coli)
<400> 52
ctgacgaaac ctcgctccgg cggggttttt tgttatctgc aattcagtac ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 53
<211> 70
<212> DNA
<213> ilvB pro-down(Escherichia coli)
<400> 53
tctgcgccgg taaagcgctt acgcgtcgat gttgtgcccg aacttgccat agctgtttcc 60
tggtttaaac 70
<210> 54
<211> 22
<212> DNA
<213> ilvB pro-YZup(Escherichia coli)
<400> 54
gttctgcgcg gaacacgtat ac 22
<210> 55
<211> 20
<212> DNA
<213> ilvB pro-YZdown(Escherichia coli)
<400> 55
ccgctacagg ccatacagac 20
<210> 56
<211> 72
<212> DNA
<213> ilvG pro-catup(Escherichia coli)
<400> 56
tgaactaaga ggaagggaac aacattcaga ccgaaattga atttttttca tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 57
<211> 75
<212> DNA
<213> ilvG pro-catdown(Escherichia coli)
<400> 57
ttcacaccct gtgcccgcaa cgcatgtacc acccactgtg cgccattcat ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 58
<211> 70
<212> DNA
<213> ilvG pro-up(Escherichia coli)
<400> 58
tgaactaaga ggaagggaac aacattcaga ccgaaattga atttttttca ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 59
<211> 71
<212> DNA
<213> ilvG pro-down(Escherichia coli)
<400> 59
ttcacaccct gtgcccgcaa cgcatgtacc acccactgtg cgccattcat agctgtttcc 60
tggtttaaac g 71
<210> 60
<211> 22
<212> DNA
<213> ilvG pro-YZup(Escherichia coli)
<400> 60
gcataagata tcgctgctgt ag 22
<210> 61
<211> 20
<212> DNA
<213> ilvG p-YZdown(Escherichia coli)
<400> 61
gccagttttg ccagtagcac 20
<210> 62
<211> 72
<212> DNA
<213> ilvH*-cat-up(Escherichia coli)
<400> 62
agaacctgat tatgcgccgg atattatcag tcttactcga aaatgaatca tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 63
<211> 75
<212> DNA
<213> ilvH*-cat-down(Escherichia coli)
<400> 63
ttcatcgccc acggtctgga tggtcatacg cgataatgtc ggatcgtcgg ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 64
<211> 74
<212> DNA
<213> ilvH*-mut-up(Escherichia coli)
<400> 64
agaacctgat tatgcgccgg atattatcag tcttactcga aaatgaatca gacgcgttat 60
tccgcgtgat tggc 74
<210> 65
<211> 21
<212> DNA
<213> ilvH*-mut-down(Escherichia coli)
<400> 65
cacaccagag cgagcaacct c 21
<210> 66
<211> 23
<212> DNA
<213> ilvH*-mutYZ-up(Escherichia coli)
<400> 66
atgagctgga aagcaaactt agc 23
<210> 67
<211> 72
<212> DNA
<213> pntAB-cs-up(Escherichia coli)
<400> 67
acaattatca gtctttatcc ggcgttctaa ggtgtttatc ccactatcac tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 68
<211> 75
<212> DNA
<213> pntAB-cs-down(Escherichia coli)
<400> 68
gcaacacggg tttcattggt taaccgttct cttggtatgc caattcgcat ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 69
<211> 70
<212> DNA
<213> pntAB-P-up (Escherichia coli)
<400> 69
acaattatca gtctttatcc ggcgttctaa ggtgtttatc ccactatcac ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 70
<211> 71
<212> DNA
<213> pntAB-M93-down (Escherichia coli)
<400> 70
gcaacacggg tttcattggt taaccgttct cttggtatgc caattcgcat agctgtttcc 60
tggtttaaac g 71
<210> 71
<211> 20
<212> DNA
<213> pntAB-YZ-up (Escherichia coli)
<400> 71
tcatatcaca ttccttaagc 20
<210> 72
<211> 20
<212> DNA
<213> pntAB-YZ-down (Escherichia coli)
<400> 72
atactttgaa cttgttcttt 20
<210> 73
<211> 72
<212> DNA
<213> yfjb-cs-up (Escherichia coli)
<400> 73
cattcatctc gctaacttcg cttattatgg ggatcagttt cagggtttca tgtgacggaa 60
gatcacttcg ca 72
<210> 74
<211> 75
<212> DNA
<213> yfjb-cs-down (Escherichia coli)
<400> 74
gggtgccgtg ggtgtcccac aatgccaata cacttgaaat gattattcat ttatttgtta 60
actgttaatt gtcct 75
<210> 75
<211> 70
<212> DNA
<213> yfjb-P-up (Escherichia coli)
<400> 75
cattcatctc gctaacttcg cttattatgg ggatcagttt cagggtttca ttatctctgg 60
cggtgttgac 70
<210> 76
<211> 70
<212> DNA
<213> yfjb-M37-down (Escherichia coli)
<400> 76
gggtgccgtg ggtgtcccac aatgccaata cacttgaaat gattattcat agctgtttcc 60
tggtttaaac 70
<210> 77
<211> 20
<212> DNA
<213> yfjb-YZ-up (Escherichia coli)
<400> 77
ttcagtacgt cgacgcaggt 20
<210> 78
<211> 20
<212> DNA
<213> yfjb-YZ-down (Escherichia coli)
<400> 78
gtaatcgcat ccagagaggg 20
<210> 79
<211> 1095
<212> DNA
<213> LeuDH (Lysinibacillus sphaericus)
<400> 79
atggaaatct tcaagtatat ggaaaagtat gattatgaac aattggtatt ttgccaagac 60
gaagcatctg ggttaaaagc gattatcgct atccatgaca caacacttgg accagcatta 120
ggtggtgctc gtatgtggac ctacgcgaca gaagaaaatg cgattgagga tgcattaaga 180
ttagcacgcg ggatgacata taaaaatgca gctgctggtt taaaccttgg cggtggaaaa 240
acggtcatta ttggggaccc atttaaagat aaaaacgaag aaatgttccg tgctttaggt 300
cgtttcattc aaggattaaa cggtcgctat attaccgctg aagatgttgg tacaaccgta 360
acagatatgg atttaatcca tgaggaaaca aattacgtta caggtatatc gccagcgttt 420
ggttcatcgg gtaatccttc accagtaact gcttatggcg tttatcgtgg catgaaagca 480
gcggcgaaag aagcatttgg tacggatatg ctagaaggtc gtactatatc ggtacaaggg 540
ctaggaaacg tagcttacaa gctttgcgag tatttacata atgaaggtgc aaaacttgta 600
gtaacagata ttaaccaagc ggctattgat cgtgttgtca atgattttgg cgctacagca 660
gttgcacctg atgaaatcta ttcacaagaa gtcgatattt tctcaccgtg tgcacttggc 720
gcaattttaa atgacgaaac gattccgcaa ttaaaagcaa aagttattgc tggttctgct 780
aataaccaac tacaagattc acgacatgga gattatttac acgagctagg cattgtttat 840
gcacctgact atgtcattaa tgcaggtggt gtaataaatg tcgcggacga attatatggc 900
tataatcgtg aacgagcgtt gaaacgtgta gatggtattt acgatagtat tgaaaaaatc 960
tttgaaattt ccaaacgtga tagtattcca acatatgttg cggcaaatcg tttggcagaa 1020
gaacgtattg ctcgtgtagc gaaatcgcgt agtcagttct taaaaaatga aaaaaatatt 1080
ttgaacggcc gttaa 1095

Claims (14)

1.一种生产L-缬氨酸的重组微生物的构建方法，其特征在于：向微生物中导入NADH依赖型的氨基酸脱氢酶基因leuDH、乙酰羟基酸还原异构酶编码基因ilvC，和激活微生物中转氢酶PntAB的活性、和激活微生物中NAD激酶YfjB的活性，使得所述酶活性增强；
所述的构建方法还包括对所述的重组微生物进行以下(1)-(7)的改造：
(1)敲除甲基乙二醛合酶基因mgsA；
(2)敲除乳酸脱氢酶基因ldhA；
(3)敲除磷酸乙酰转移酶基因pta和乙酸激酶基因ackA；
(4)敲除丙酸激酶基因tdcD和甲酸乙酰转移酶基因tdcE；
(5)敲除醇脱氢酶基因adhE；
(6)敲除富马酸还原酶基因frd和丙酮酸甲酸裂解酶基因pflB；
(7)增强乙酰乳酸合成酶AHAS和二羟酸脱水酶ilvD的活性；
所述的微生物为大肠杆菌；
AHAS包括ilvBN、ilvGM和ilvIH；
所述ilvIH的活性通过解除缬氨酸对ilvH的反馈抑制得到增强。
2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述ilvIH的活性通过突变ilvH基因得到增强。
3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，以ilvD基因替换微生物本身的pflB基因的方式实现第(6)项。
4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，以leuDH基因替换微生物本身的frd基因的方式实现第(6)项。
5.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，以ilvC基因替换微生物本身的mgsA基因的方式实现第(1)项。
6.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述的微生物为大肠杆菌ATCC 8739。
7.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，使用至少一个调控元件激活或增强所述酶的编码基因的活性。
8.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，M1-93人工调控元件调控编码基因pntAB、ilvD、leuDH、ilvBN和ilvGM。
9.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，M1-37人工调控元件调控编码基因yfjB。
10.根据权利要求7所述的构建方法，其特征在于，M1-46人工调控元件调控编码基因ilvC。
11.利用权利要求1-10任一所述构建方法构建得到的重组微生物。
12.一种重组微生物，其保藏号为CGMCC 19456。
13.如权利要求11或权利要求12所述的重组微生物在生产L-缬氨酸中的应用。
14.一种生产L-缬氨酸的方法，包括：(1)发酵培养权利要求11或12所述的重组微生物；(2)分离并收获L-缬氨酸；所述发酵培养为厌氧发酵培养。
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